橡胶改性沥青技术在甘肃的应用探讨

2024-02-25付剑锋FUJianfeng

价值工程 2024年3期

付剑锋FU Jian-feng

（甘肃公航旅石墨烯科技发展有限责任公司，兰州 730099）

0 引言

随着甘肃省经济的高速发展，公路建设也迎来了高速发展期。沥青路面表面平整、行车舒适，还具有施工期短、养护简便等诸多优势，使其成为甘肃省各类公路路面主要的形式。从气候角度看，甘肃省属于北方季冻区，四季温度有大幅变化，温差最高可达到70℃以上。随着公路交通流量的不断增大，在长期重交通车辆荷载、大温差等共同作用下，裂缝、车辙成为甘肃沥青路面最主要的道路病害。裂缝、车辙也进一步加剧了沥青路面的水损害，使沥青路面出现了松散、坑槽、麻面、沉陷等诸多病害，因此，也降低了路面的服役质量和年限。

改善沥青性能、延长沥青路面的使用寿命，已成为甘肃高海拔地区道路建设养护工程亟待解决的课题。目前，已开展较多的沥青改性研究，有SBS 改性沥青、橡胶改性沥青、PE 改性沥青、橡塑纤维改性沥青等。这些改性方法对提高沥青路面的路用性能，以及避免路面早期破坏起到了非常重要的作用。另一方面，基于我国目前大量废旧轮胎的产生，将废橡胶磨粉掺入沥青中制备橡胶沥青，铺筑橡胶沥青路面开始受到广泛关注。研究表明，橡胶沥青路面能有效地提高沥青混合料的高、低温稳定性、抗疲劳裂缝能力、耐久性和抗老化性能，具有延长沥青路面的使用寿命、降低行车噪音和养护费用低等优点。

目前，甘肃省政府已经充分认识到废橡胶等高分子固废给人们生活和环境造成的负面影响，将高分子固废再利用列为重点科技资助项目进行针对性研究。同时，构筑高性能沥青路面也是经济快速发展的重要诉求。因此，这些因素共同为橡胶沥青在甘肃省道路工程的应用研究提供了良好的机遇。

1 国内外橡胶路面的研究现状

1.1 国外橡胶沥青路面的研究应用概况

橡胶沥青用于路面始于20 世纪60 年代，由Chales McDonald 首先发明该技术，并应用于应力吸收层（SAM）；70 年代，美国亚利桑那州精炼公司推出了脱硫胶粉改性沥青，将脱硫橡胶沥青用于开级配沥青混凝土中；从20 世纪70 年代到90 年代，美国利用湿法和干法工艺的橡胶沥青分别铺筑了试验路段，并对路面的施工工艺和路用性能进行了总结。90 年代后，美国联邦通过立法要求，在沥青道路工程中逐渐增加废胎胶粉用量，至1997 年废胎胶粉的添加量能够达20%。共有27 个州研究了橡胶粉改性沥青及其混合料技术，也研究了采用橡胶沥青进行路面表面处治。

1996 年，伊利诺斯大学的Abdelrahman 博士研究了沥青和橡胶粉的反应机理机理。研究结果表明，在反应初期，橡胶粉以吸收沥青轻质组分溶胀为主；随着胶粉的溶胀，胶粉的液相部分劲度增加，沥青与橡胶固相部分接触的可能性也增加；当温度升高和反应时间延长，橡胶粉在沥青中的脱硫裂解逐步取代溶胀反应，橡胶固相的交联减弱，但液相部分的劲度仍增加。

瑞典的研究人员研究得到了干法橡胶的表面层沥青混合料工艺。研究结果表明，加入橡胶粉后，沥青路面的低温性能和抗水损害能力明显改善，在抗滑除冰、防反射裂缝、防温度裂缝、抗永久变形等性能方面，也比参照路段具有更好的效果。但在施工上，沥青路面出现了离析现象、压实度不足等问题，可能与胶粉颗粒过大有关。

南非的废旧轮胎橡胶粉在公路建设中的应用也相对成功，截止到目前有超过60%的路面使用橡胶沥青。应用领域包括热拌橡胶沥青混合料、应力吸收层、应力吸收中间层等，基本拥有了一整套橡胶沥青相关的技术标准，且拥有服役超过20 年仍然完好的橡胶沥青路面。在法国，橡胶沥青的摊铺量也已超过100 万m2。橡胶沥青主要应用于多孔隙路面，在排水、重交通和抗剪切等方面，具有比普通沥青多孔路面更多的优势。

另外，橡胶沥青路面在加拿大、德国、新西兰、澳大利亚、沙特阿拉伯和日本也有着广泛的工程应用。

1.2 国内橡胶沥青路面的研究应用概况

20 世纪80 年代初，为改善国产沥青品质，国内的科研院所、公路建设部门等借鉴国外成功经验，先后进行了橡胶在沥青路面中的应用研究，并铺筑了大量试验路。2001 年第一批交通部西部科技项目立项，进行了“废旧轮胎胶粉用于筑路的技术研究”，从橡胶粉标准、橡胶沥青技术指标、混合料配合比设计方法、混合料加工工艺，再到橡胶沥青路面的设计与施工进行了大量系统的研究。

橡胶沥青的工程应用难点在于粘度大、存贮不稳定（沥青/胶粉相容性），使得橡胶掺量不能过高。橡胶掺量大于20%瓶颈的橡胶改性沥青生产工艺得到突破，如橡胶脱硫、添加降粘剂（如生物油，温拌剂）是目前主流增加橡胶的方法。随后，Terminal Blend 橡胶沥青方法的问世，从胶粉的“溶解”角度为生产高掺量橡胶沥青提供了新方法，其核心思想是通过化学能、热能与机械能相互结合以及共同作用，将橡胶粉的交联网络完全破坏，而后使其溶解于基质沥青中。

2014 年，河北工业大学王国清等也研究了高掺量橡胶改性沥青及其制备方法。该工艺的具体做法是：直接将橡胶粉加入沥青中，然后加入脱硫剂，延长脱硫时间，并且提高了胶粉掺量。叶奋等研究采用螺杆反应挤出技术对橡胶粉进行深度降解，尝试提高橡胶沥青中胶粉的掺量。结果表明利用螺杆反应挤出法的胶粉可较快分散于沥青中，胶粉掺量可达50%（外掺），且不增加沥青粘度、易于加工。

王仕峰等采用双螺杆挤出将废橡胶浅度热解为液态橡胶（LPR），用其制备橡胶沥青，胶粉掺量最高可达到50%。结果表明，浅度热解的液态橡胶可改善沥青的流变性和低温性能，液态橡胶颗粒可均匀地分布在沥青中。近来，又利用多阶连续绿色脱硫技术制备速溶橡胶粒，胶粉成功实现了低温速溶，制备橡胶沥青不用改造现有SBS改性设备，即可与SBS、沥青能简捷快速混合达到纳米分散和溶解，制备高粘弹复合改性沥青。该技术在实现胶粉易混溶于沥青中，突破了复合沥青产品的稳定热储存和良好的加工和易性，并且在工程应用中不增加混合料的油石比，增加了橡胶沥青的经济性。

2 橡胶沥青路面的优势

甘肃高海拔地区，属于高低温更替交换的季冻区，沥青面层的破坏主要表现为路基的反射裂缝引起的剪切破坏与循环温度应力或车辆荷载造成的破坏。沥青材料老化后变脆，可能会在服役期内发生疲劳破坏，尤其在甘肃季冻环境中更为突出。橡胶粉自身具有较宽泛的弹性温度适应区间，决定了橡胶沥青作为一种性能优良、经济的路面材料，会更加适合甘肃季冻区道路的铺筑。

橡胶沥青路面在甘肃高海拔季冻区应用意义在于，橡胶沥青路面在抵抗高温变形的稳定性、低温脆裂性、反复荷载下的疲劳性能、水损害、温度老化性能等方面都具有显著的优势。

①高温稳定性和水损害方面：由于在沥青中添加了橡胶，橡胶沥青的黏性大大提高，高温抵抗永久变形能力增强，沥青与碎石间的黏结力增加，从而使抗水损坏能力提高。

②低温抗裂方面：由于橡胶粉中含有低温韧性好的硫化橡胶，因而橡胶沥青具有非常突出的低温韧性和抗裂能力。良好的低温性能非常有利于甘肃季冻区寒冷季节的低温条件，能够有效减少沥青路面低温裂缝的产生，延缓路面早期破坏，从而延长道路的使用寿命。

③在抗老化、氧化、疲劳方面：由于废旧轮胎橡胶中含有大量的抗老剂、炭黑成分，使橡胶沥青的抗老化能力明显提高。

最近，甘肃公航旅集团将废轮胎胶粉进行预先脱硫降解造粒，采用传统SBS 生产设备放大化生产高掺量橡胶沥青，在兰州新区沥青道路表面层实施工程化验证，最后，采用高掺量橡胶沥青混合料实验路段铺设，铺设过程中易施工易压实，无明显烟气和气味（见图1）。其胶结料性能和混合料关键性能指标经过验证，优于传统的SBS 沥青。采用工厂生产的沥青制备的混合料性能与实验室的结果相似，满足施工要求（见表1、表2）。

图1 高掺量橡胶沥青路段铺设现场

表1 高掺量橡胶沥青与SBS 改性沥青的常规性能比较

表2 工程放大的高掺量橡胶沥青及其混合料性能

公航旅建设集团低碳路材联合研发中心还利用SBS/微纳橡胶双重网络互穿原理，成功研发出高性能高粘弹橡胶复合改性沥青。高粘弹橡胶复合改性沥青混合料主要性能指标优于SBS 改性沥青混合料主要性能指标，尤其是抗车辙性能、低温弯曲性能更加优异，达到了低味、补强、防滑、耐热、耐寒、耐腐蚀、抗冲击、降噪音的作用，不但碳排放量减小，铺筑成本也低于常规SBS 改性沥青路面。公航旅建设集团还采用高粘弹橡胶复合改性沥青进行了SUP 上面层路面试验段应用（见表3、表4、图2）。

图2 高粘弹橡胶沥青路段铺设现场

表4 Sup-13 沥青混合料性能测试结果

在成本方面，由于SBS 改性剂为石油产品，价格较高，目前已高达1.4 万元/吨。而用废旧轮胎生产的橡胶粉价格相对便宜，价格约为2000 元/吨。沥青价格为3000 元/吨。废旧橡胶价格大幅低于SBS 改性剂，且低于沥青的价格。因此，将废橡胶用于道路，掺量越大成本优势越明显。

目前，甘肃高等级公路建设大都采用SBS 改性沥青。如果利用废旧轮胎生产的橡胶粉来铺筑道路面层，其成本大约仅为SBS 改性沥青的三分之二。按照甘肃废旧轮胎产生量不断上升，橡胶沥青产业也将成为庞大而稳定的道路材料。

以甘南为代表的西部甘肃高海拔地区，属于高低温更替交换的季冻区，沥青面层的破坏主要表现为路基的反射裂缝引起的剪切破坏与循环温度应力或车辆荷载造成的破坏。沥青材料老化后变脆，可能会在服役期内发生疲劳破坏，尤其在甘肃季冻环境中更为突出。橡胶粉自身具有较宽泛的弹性温度适应区间，决定了橡胶沥青作为一种性能优良、经济的路面材料，会更加适合甘肃季冻区道路的铺筑。